手机取像镜头设计

庄振锋



手机取像镜头设计

庄振锋

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州 363000）

介绍一种采用三片式镜片结构手机镜头的设计，该设计利用光学设计软件ZEMAX进行光学效果的模拟，设计结果出焦距为4.5mm,相对孔径(F数)为2.8，在50lp/mm时，MTF≥0.5，像面尺寸φ4.5mm，总长小于8mm,相对畸变量为4%的手机镜头。本系统设计指标满足要求，采用的玻璃都是常用的材料，制造成本较低，所设计的产品在中低端手机上有广泛应用。

手机；像差；像质；ZEMAX

1 引 言

自第一台拍照手机在日本诞生至今，照相手机发展迅速，“市场调查显示2005年全球手机出货量为7.95亿部，其中大约有4.55亿部有照相功能，占57%。预测到2008年，85%的手机拥有照相功能，手机出货量约为8亿部左右。手机市场的规模也将从2005年的大约20亿美元上升到2008年的48亿美元，而手机镜头作为主要部件之一，将具有十分广阔的市场前景”。[1]由于定焦系统的光学特性较为简单，可以为中低端手机提供较好的成像质量及较低的成本。因此，本文提供了一种三片式结构镜头设计结果，该镜头有效地提供了良好的成像质量，同时缩小了体积和降低了成本。

2 初始结构选择

手机的外形结构决定了镜头只能要求体积和尺寸微型化，一般光学总长要小于8mm，机械口径也要小于8mm，采用M8×0.5的标准螺纹接口。由于镜片小，加工装配难度高。

由于体积和联结方式的限制光栏结构型式，该镜头采用固定光栏型式。它的光量调节由摄像器件的电子系统实现。在VGA等级的手机取像镜头，其光圈f/#大都在2.6～2.8之间。

成像质量要求手机镜头质量因手机本身的要求不同而异。“一般的手机镜头要求畸变小于等于5％，视场角应大于等于52度，拦光系数应做到50％以内”。[2,3]

性能价格比手机镜头作为手机的附属品，一方面要求它能满足手机所需的像素指标，另一方面也要求它有别于其它独立镜头，需要严格地控制成本。因此，如何设计出加工性能好，材料便宜，较少镜片数，装配方便成为设计这类镜头的关键。

随着手机往轻薄，多功能方向发展，手机集成的功能越来越多，各个功能件所占用的空间也越来越小，因此，它要求镜头体积越小越好。摄像器件的靶面尺寸规格目前包括1/4和1/6英寸两种。

用普通玻璃构成的手机镜头中，通常可采用三片式和四片式两种，由于受成本和总长限制，我们采用三片式结构，整体光学模组的厚度限制在8mm以内，采用1/4英寸CCD，即影像检测器的对角线长在4.6mm，焦距4.5mm，视场角56度。

3 优化设计

3.1 设计指标

表1 设计指标

3.2 设计结果分析

图1 光学系统结构图

图2 装配图

综合考虑光谱范围﹑后截距的长短﹑系统总长﹑面型的加工是否困难之后，利用ZEMAX光学设计软件包进行多次优化，最后完成可见光谱光学系统，图1为设计结果光学系统示意图，由物端到成像端于光轴上由3片镜片和一个光阑所组成，第一、第三镜片为双凸透镜，第二镜片为双凹透镜，其镜片的两面均为球面，光阑置于第二镜片及第三镜片之间，三个镜片的折射率均小1.7。

图2为镜头装配图，光学镜片A、B、C固定在隔圈G上，镜座F与套筒E螺纹配合固定。本系统结构设计的重点首先是保证轴向间隔，A、B片间隔靠保证B片的整平矢高来保证。B、C片间隔靠G-隔圈的中间和口径来保证；其次保证光和机械同心度。三片镜片外径与球面的同心度靠定心磨边来保证。三片镜片外径与G-隔圈的同轴精度配合，和G-隔圈与F-镜座同轴精度配合来保证光和机械同心度。同时对F-镜座的外螺纹应当有与内孔同心度要求。

图3 最终像质分析图

该系统的传递函数如图3(a)所示,镜头的特征频率为50lp/mm时，0.85视场MTF≥0.5。四个视场的点列图如图3(b)所示，从点列图可以看出，轴上弥散均方根半径为4.715µm，0.5视场均方根半径为6.066µm，0.7视场均方根半均为6.596µm，全视场均方根半径为7.292µm，所以在“像面上的弥散斑很小，即分辨率很高”。[4,5]从图3(c)可知，边缘照度为中心照度的50%。根据经验可知，当边缘照度为中心的50% ~ 60%时，人眼还不易分辨，因此该系统适当采用渐晕是允许的。如图3(d)给出了平衡后的场曲和畸变图，像散的最大值约为0.02mm，场曲大小约为0.08mm，畸变大小约为-1.32%，表明本光学系统具有较好的对称性。

4 结束语

通过合理的结构选型和优化设计，并充分考虑加工工艺和结构成本要求，可获得的一种结构简单的手机镜头。该产品设计合理，实用性强，预测该产品将有较好的市场前景。

[1]徐加军,陈燕平,余飞鸿.手机模组生产线被动自动对焦技术研究[J].光学仪器,2006,28（3）：28-29.

[2]H.Ditteon著,詹涵菁译.现代几何光学[M].长沙：湖南大学出版社，2004：154-155.

[3]黄城,温同强,路建华,等. 200万像素手机摄像镜头的设计[J]. 应用光学, 2008,29(5):767-771.

[4]李景镇.光学手册[M].西安：陕西科学技术出版社,1986：135-145.

[5]李晓彤.几何光学与光学设计[M].杭州：浙江大学出版社,1997：233-234.

The lens design of mobile camera phone

ZHUANG Zhen-feng

（Department of Mechanical and Automation Engineering,Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000,China)

In this paper a mobile camera phone of optical system are discussed. The optical configuration of triplet was adopted, and obtained the optical model results of mobile camera phone lens in the optical software ZEMAX. The designed results of mobile camera phone lens are given, focal length f=4.5mm,fNo=2.8, MTF≥0.5，50lp/mm, image diameter is 4.5mm, total length of lens is less than 8mm, relative distortion maximum is less than 4%. Analysis of design results suggests that this optical system can satisfy rigid performance specification. The design of mobile camera phone lens could be comprehensive used in mid-end or low end mobile phone.

Mobile phone；Image quality；Aberration；ZEMAX

2009－10－20

庄振峰（1983－），男，福建泉州市人，助教，硕士，研究方向：光机设计。

TB852.1

A

1673-1417（2010）01-0011-03

（责任编辑：季平）